Enzimi coinvolti nella duplicazione del DNA

Nella duplicazione del DNA intervengono diversi enzimi con funzioni specifiche:

1. L'elicasi è il primo ad agire, aprendo l'elica del DNA rompendo i legami a idrogeno tra le basi azotate.
2. Le proteine destabilizzatrici dell'elica $SSBP$ mantengono i filamenti separati.
3. La DNA girasi $negli eucarioti$ o la topoisomerasi $nei procarioti$ riducono le tensioni nei filamenti appena separati, srotolando e girando il DNA.
4. La primasi sintetizza un breve frammento di RNA chiamato primer, necessario per l'avvio della sintesi del nuovo filamento.
5. La DNA polimerasi è l'enzima principale responsabile della sintesi del nuovo filamento di DNA, ma può operare solo in direzione 5' → 3' e necessita di un primer per iniziare.

Definizione: La forcella di replicazione è la struttura a Y che si forma quando i due filamenti di DNA si separano durante la duplicazione.

Highlight: La DNA polimerasi non può iniziare la sintesi da zero, ma richiede un primer di RNA come punto di partenza.

Vocabulary: Primer - breve frammento di RNA $10-15 nucleotidi$ sintetizzato dalla primasi che serve come punto di partenza per la DNA polimerasi.

Meccanismo di sintesi del nuovo filamento di DNA

La duplicazione del DNA procede in modo diverso sui due filamenti a causa della direzionalità della DNA polimerasi:

1. Sul filamento veloce $leading$, la sintesi avviene in modo continuo in direzione 5' → 3'.
2. Sul filamento lento $lagging$, la sintesi procede a ritroso e in modo discontinuo, formando i frammenti di Okazaki.

La primasi sintetizza più primer lungo il filamento lento, ai quali la DNA polimerasi si lega per formare i frammenti di Okazaki. Questi frammenti vengono poi uniti dalla DNA ligasi per formare un'unica catena continua.

Prima dell'unione finale, i primer di RNA devono essere rimossi e sostituiti con DNA. Questo compito è svolto da un'altra DNA polimerasi, che lascia piccole interruzioni tra i frammenti adiacenti. La DNA ligasi interviene infine per completare la sintesi del filamento.

Definizione: I frammenti di Okazaki sono brevi segmenti di DNA sintetizzati discontinuamente sul filamento lento durante la duplicazione.

Highlight: La sintesi del DNA avviene in modo continuo sul filamento veloce e discontinuo su quello lento, richiedendo l'azione coordinata di diversi enzimi.

Vocabulary: DNA ligasi - enzima che unisce i frammenti di DNA generando legami fosfodiesterici tra l'estremità 3' di un frammento e l'estremità 5' di un altro.

Problematiche nella duplicazione del DNA e soluzioni

La duplicazione del DNA presenta alcune sfide, in particolare nelle molecole lineari degli eucarioti:

1. L'accorciamento dei telomeri: Ogni volta che il DNA si replica, le estremità dei cromosomi $telomeri$ si accorciano poiché non è possibile sostituire completamente il primer terminale.
2. Per risolvere questo problema, interviene un enzima chiamato telomerasi, che è in grado di costruire la parte di DNA mancante all'estremità, sintetizzando i telomeri.

La telomerasi usa come stampo una sequenza di RNA contenuta al suo interno per aggiungere ripetizioni telomeriche $TTAGGG nell'uomo$ all'estremità 3' del DNA.

Highlight: Nelle cellule con poca o nessuna telomerasi, il rischio di invecchiamento cellulare e sviluppo di tumori è maggiore a causa dell'accorciamento progressivo dei telomeri.

Definizione: I telomeri sono brevi sequenze ripetute di DNA che costituiscono le estremità dei cromosomi, proteggendoli dalla degradazione e dalla fusione con altri cromosomi.

Vocabulary: Telomerasi - enzima specializzato che aggiunge sequenze telomeriche alle estremità dei cromosomi, contrastando il loro accorciamento durante la replicazione.

Differenze nella duplicazione del DNA tra procarioti ed eucarioti

La duplicazione del DNA presenta notevoli differenze tra organismi procarioti ed eucarioti:

1. Velocità: Nei batteri $procarioti$ la duplicazione è molto rapida, richiedendo circa 30 minuti. Negli eucarioti, invece, il processo è molto più lento.
2. Complessità: La duplicazione negli eucarioti è più complessa per diversi motivi: Il DNA è organizzato in cromosomi lineari anziché in un unico cromosoma circolare. La presenza di istoni e altre proteine associate al DNA richiede ulteriori passaggi. Il genoma eucariotico è generalmente molto più grande e contiene più sequenze non codificanti.
3. Enzimi: Sebbene molti enzimi siano simili, alcuni sono specifici per procarioti o eucarioti. Ad esempio, la topoisomerasi nei procarioti svolge un ruolo analogo alla DNA girasi negli eucarioti.
4. Origini di replicazione: I procarioti hanno un'unica origine di replicazione, mentre gli eucarioti ne hanno multiple su ciascun cromosoma.

Highlight: La maggiore complessità e dimensione del genoma eucariotico richiede un processo di duplicazione più elaborato e temporalmente esteso rispetto ai procarioti.

Vocabulary: DNA girasi - enzima presente negli eucarioti che aiuta a ridurre le tensioni nel DNA durante la replicazione, svolgendo un ruolo simile alla topoisomerasi dei procarioti.

Example: Mentre un batterio come E. coli può completare la duplicazione del suo genoma in circa 40 minuti, una cellula umana può impiegare diverse ore per replicare completamente il suo DNA.

Differenze nella replicazione tra procarioti ed eucarioti

La replicazione del DNA nei procarioti è un processo relativamente veloce, che può completarsi in circa 30 minuti. Al contrario, la replicazione del DNA negli eucarioti richiede molto più tempo per due motivi principali:

1. La DNA polimerasi eucariota è più lenta e accurata rispetto a quella procariota.
2. Il genoma eucariota è molto più grande e complesso, con molteplici origini di replicazione.

Queste differenze riflettono l'evoluzione di meccanismi di controllo più sofisticati negli eucarioti per garantire la fedeltà della replicazione in genomi più complessi.

Example: Mentre un batterio può completare la replicazione del suo DNA in mezz'ora, una cellula umana può impiegare diverse ore per lo stesso processo.

Highlight: La maggiore complessità e accuratezza della replicazione negli eucarioti è essenziale per mantenere la stabilità genetica in organismi più evoluti.

Inizio della duplicazione del DNA

La duplicazione del DNA ha inizio in punti specifici della molecola chiamati origini di duplicazione $ORI$. Questi sono tratti di DNA con una caratteristica sequenza di nucleotidi conservata.

Nelle cellule procariote, la molecola di DNA è circolare e la duplicazione forma un'unica bolla di replicazione, procedendo in entrambe le direzioni fino a duplicare l'intera molecola. Questo processo è noto come replicazione a cerchio rotante.

Nelle cellule eucariote, invece, possono esserci centinaia di punti di origine, che non si attivano necessariamente tutti contemporaneamente. L'insieme delle origini che si attivano simultaneamente è chiamato replicone.

Definizione: L'origine di replicazione $ORI$ è un punto specifico del DNA dove inizia la duplicazione, caratterizzato da una sequenza nucleotidica conservata.

Highlight: La duplicazione del DNA procede in modo diverso tra procarioti ed eucarioti, con una singola bolla di replicazione nei primi e multiple origini nei secondi.

Vocabulary: Replicone - insieme di origini di replicazione che si attivano contemporaneamente nelle cellule eucariote.